Equivalent Series Resistance (Эквивалентное Последовательное Сопротивление - ЭПС), как один из значимых паразитных параметров электролитических конденсаторов, в последние годы приобрёл широкую популярность среди ремонтников электронной аппаратуры. Измерители и пробники ESR для многих мастеров стали прибором первой необходимости наряду с тестером или мультиметром.
Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора.

Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу – годен или не годен для работы в конкретном узле устройства.
Но, следует отметить, для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, иногда требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

Большинство популярных и применяемых в ремонтной практике приборов и пробников ESR основаны на измерении полного сопротивления переменному току на частоте 40 - 100 кГц. На частотах этого порядка для электролитических конденсаторов больших номиналов такие приборы покажут значения, максимально близкие к величине ESR, которая составит основную часть импеданса на этих частотах.
Недостатком такого способа является значительная погрешность при измерении малых номиналов ёмкостей (менее 10 uF), когда реактивное сопротивление конденсатора на данной частоте соизмеримо и может превышать ESR.
Тогда прибор покажет значение импеданса, а реальное значение ESR может быть в несколько раз меньше.

Одним из требований в плане практичности использования ESR-пробников является возможность производить замеры без выпаивания конденсатора из платы. Следовательно, процесс измерения должен происходить при достаточно низком падении напряжения на проверяемом конденсаторе, исключая отпирание переходов полупроводниковых элементов схемы.

В большинстве случаев такие нехитрые измерители импеданса мастера собирают самостоятельно по схемам, широко распространённым в интернете, но кто-то применяет и свои разработки с учётом личных предпочтений в плане удобства пользования или точности измерений.
В продаже существуют как простые пробники со светодиодной или стрелочной индикацией, так и измерители с цифровой шкалой различной степени сложности.

Подробно останавливаться на принципах и методах измерения импеданса нет необходимости, таких обсуждений и описаний существует достаточно много и их нетрудно найти в интернете. Но некоторые особенности отдельных конструкций всё же могут заслуживать внимания.

В этой статье предлагается рассмотреть один из способов измерения ESR и ёмкости, как отдельных параметров конденсатора.

Достаточно точный и несложный метод, который используется во многих любительских и промышленных приборах, реализован в измерителе Micro, популярном среди мастеров – участников ремонтных форумов monitor.net.ru и monitor.espec.ws.

Если испытываемый конденсатор ёмкостью C заряжать от источника постоянного тока I , напряжение на его выводах будет линейно нарастать от значения U R по закону:

C dU/dt = I = const .

U R – падение напряжения на активном сопротивлении конденсатора (ESR).

В таком случае ёмкость конденсатора будет определяться выражением:

Посчитать U R для вычисления ESR можно несколькими способами, например, составив уравнение прямой по двум точкам и найти координату Y для нулевого значения X, либо геометрически, исходя из соотношения сторон подобных треугольников...

Активное сопротивление конденсатора (ESR) в таком случае составит:

Для реализации такого метода нет необходимости в применении АЦП, пороговые значения напряжений для управления таймером устанавливаются компараторами, а математические вычисления ёмкости и ESR производятся микроконтроллером с выводом информации на ЖК дисплей.

В некоторых подобных конструкциях для измерения ESR используется более простой, но менее точный способ.
Производится измерение уровня напряжения U R посредством АЦП в начальный момент времени.
Несмотря на то, что измерительный импульс достаточно короткий (1-2 uS), конденсаторы меньшей ёмкости успевают зарядиться до большего значения, чем конденсаторы большой ёмкости, что создаёт некоторую погрешность в измерении ESR разных номиналов конденсаторов.

Следует учитывать, что ESR, измеренный постоянным током, является относительным показателем качества электролитического конденсатора.
Значимой составляющей ESR являются диэлектрические потери, которые существенно меняются с изменением частоты переменного тока.

Существуют более сложные и точные методики и способы измерений, основанные на анализе сдвига фаз в конденсаторе. В этом случае ESR определится произведением импеданса и тангенса угла потерь.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

При ремонте техники специалисты-радиомеханики сталкиваются с различными проблемами - повреждённые дорожки на платах, окисление, выгоревшие элементы, вздувшиеся конденсаторы. Эти неисправности прекрасно видны при первичном осмотре аппаратуры и устранить их с помощью самых базовых инструментов любого инженера не составляет труда. Но есть случаи, в которых визуального осмотра недостаточно.

Конденсаторы бывают разной ёмкости, как очень большой (4000, 10000 мкФ), так и очень малой (0,33 мкФ, например, такие детали активно используются при сборке комплектующих различной оргтехники). И если вздутие верхней крышки первых отлично заметно из-за их размеров, то со вторыми выявление их неисправности может доставить немало проблем.

В этом поможет простой прибор для проверки конденсаторов - ESR-метр . Своими руками его изготовить несложно, имея достаточные познания в схемотехнике. Он может быть как самостоятельным устройством, так и выполнен в виде приставки к цифровому мультиметру . С его помощью можно легко установить такие неисправности, как пробой и высыхание.

Электролитические конденсаторы имеют ряд параметров, важных для их правильной работы в схеме устройства. Это и его ёмкость, и сопротивление диэлектрика между выводами и корпусом, и собственная индуктивность , эквивалентное последовательное сопротивление или, на американский манер, Equivalent Series Resistance. ESR - это сопротивление обкладок конденсатора и его ножек, которыми он припаивается к плате, выводов.

Существуют специальные формулы для расчёта этого показателя, но ими в реальной практике никто не пользуется. Гораздо проще собрать прибор для его измерения, и полученные результаты сверять с таблицей ESR электролитических конденсаторов, в которой приведены показатели в миллиомах, в зависимости от характеристик деталей - ёмкости и поддерживаемого напряжения.

Конденсаторы используются практически повсюду. Ни одна схема устройства, обладающего хоть минимальной сложностью, не обходится без них.

В персональных компьютерах они встречаются в блоках питания, мониторах, около важных узлов материнских плат - сетевых и звуковых микросхем, в системе питания процессора, южного и северного мостов, оперативной памяти.

В акустических системах и сетевом оборудовании (роутерах, коммутаторах, например) они встречаются около усилителей и LAN-портов. Все они обеспечивают стабильное питание этих элементов, а малейшие проблемы с питанием, как известно, могут привести как к проблемам в работе - зависаниям, торможению, так и к банальному отказу работать.

Высохшие и пробитые конденсаторы невозможно обнаружить простым осмотром, поэтому именно измеритель ESR, может установить причину неисправности. Для этого детали, на которые пало подозрение, выпаиваются с платы и проверяются прибором. Проверять их без выпаивания не рекомендуется - показатели в этом случае могут быть слишком неточными. Если показатель сопротивления слишком высок, компонент должен быть заменён аналогом с наиболее низким ESR.

Основные элементы устройства

В основе схемы ESR-метра лежит микросхема генератора импульсов типа К561ЛН2, работающая на частоте до 120 кГц. Для дополнительного удобства саму микросхему можно не впаивать напрямую в плату, а использовать специальную панель с необходимым количеством ножек. Это позволит оперативно сменить вышедшую из строя деталь и заменить её без дополнительных операций с паяльником и отсосом припоя. В качестве аналога этого генератора можно использовать похожий по характеристикам К1561ЛН2.

Настройка частоты выполняется цепью, состоящей из резистора и конденсатора. Регулировка и настройка измерения ESR осуществляется подстроечным резистором.

В качестве питания используется либо стандартная CR2032, выдающая напряжение до 3 вольт, либо, если этого не хватает для работы, аккумуляторная батарейка на 9 вольт, подключаемая через специальную клемму (такие можно найти в некоторых часах с автономным питанием, например, или в старых батарейках типа Крона). В состав измерителя переменного напряжения входит мультиметр, который необходимо перевести в соответствующий режим, и германиевые диоды.

Сборку тестера конденсаторов можно производить как на макетной плате размером примерно 4 на 6 сантиметров, так и на специальных печатных платах. Второй вариант получится немного дороже, но его преимуществом является наличие на плате обозначений всех нужных элементов и дорожек, их соединяющих.

Печатные платы изготавливаются из фольгированного текстолита и перед проведением монтажа элементов контакты на них необходимо залудить припоем.

При использовании макетных плат, размещение элементов и их соединение производится самостоятельно. Для создания схемы используются провода достаточной толщины с фторопластовой изоляцией, чтобы предотвратить их повреждение при тепловом воздействии.

В качестве щупов можно использовать как покупные, так и самодельные. Во втором случае необходимо самостоятельно позаботиться о хорошей проводящей способности используемого материала и достаточной толщине провода, идущего к мультиметру. Использовать длинные провода, более 10 сантиметров, не рекомендуется.

Возможные недостатки и замечания по работе этого устройства:

1. При нестабильном питании от батарейки возможны сильные отклонения по точности измерений, следует не забывать периодически проверять батарейку мультиметром и не допускать её разряда больше, чем на 1 вольт.
2. Даже при полностью исправной батарейке, прибор, выполненный таким образом, не претендует на звание высокоточного. Его можно использовать как некий индикатор работоспособности элементов и определить подойдёт ли конденсатор для установки или замены.

Первый и второй недостатки имеют общее решение - достаточно установить в схему стабилизатор, питающийся напрямую от батарейки, и два конденсатора. Это повышает надёжность и точность прибора, что даёт возможность отбрасывать ситуации, при которых, если у измеряемого элемента сопротивление было слишком малым, мультиметр сигнализировал о коротком замыкании вместо ожидаемого значения.

Порядок калибровки прибора

После монтажа устройства на плате и первичных тестов, его необходимо откалибровать. Для этого понадобится осциллограф и набор резисторов для подстройки номиналом от 1 до 80 Ом. Порядок калибровки:

1. Измеряем осциллографом частоту на щупах. Она должна быть в пределах 120-180 кГц. При более низкой или более высокой частоте она корректируется подбором резистора из набора.
2. Подсоединяем мультиметр к щупам, выбираем режим измерения в милливольтах.
3. Резистор в 1 Ом подключаем к щупам. С помощью подстроечного резистора в схеме выставляем на мультиметре значение напряжения в 1 милливольт.
4. Подключаем следующий по номиналу резистор, не меняя значение, и записываем показания мультиметра. Повторяем со всем набором и составляем табличку.

После калибровки прибором можно пользоваться. Он поможет в обнаружении неисправностей, связанных с реактивным сопротивлением. Их невозможно диагностировать другим способом.

Давно хотел сделать устройство для проверки электролитов, которое бы наряду с ESR измеряло и емкость. Все, что попадалось в и-нете на эту тему, чем-нибудь да не устраивало. Опробовав некоторые идеи, остановился на варианте определения ESR путем измерения величины падения напряжения (ступеньки) при ОТКЛЮЧЕНИИ конденсатора от источника тока. Емкость определяется традиционным способом -измерение времени заряда стабильным током (10 мА) То, что получилось в результате - см. на фото.

нажмите на картинку для увеличения.

Прибор предназначен для определения исправности электролитических конденсаторов путем измерения емкости (С) и последовательного эквивалентного сопротивления (ESR). Прибор не является точным инструментом, однако его точности достаточно для радиолюбительской практики и ремонта радиоэлектронных устройств. Напряжение на тестируемом элементе около 100 мВ, что позволяет проводить измерения внутрисхемно. Защита входных цепей традиционна - два встречно-параллельных диода и малоэффективна. Лучше эту задачу решить механически - с помощью специальных щупов, которые в обычном состоянии замкнуты между собой через сопротивление порядка 5 Ом, а при нажатии на щуп эта цепь размыкалась бы.

Пределы измерения:

C………1 - 150000 мкФ

ESR…. 0 - 10 Ом

Принцип измерения.

В приборе использован принцип измерения ESR - практически на постоянном токе. Попробую объяснить подробнее, представим УПРОЩЕННУЮ эквивалентную схему замещения эл.конденсатора - собственно идеальный конденсатор С и включенное последовательно с ним сопротивление R . Подключим эту цепь к источнику тока I. В начальный момент напряжение на этой цепочке будет равно U=I*R, потом напряжение будет линейно расти за счет заряда конденсатора U=I*R+I*t/C (t- время). При отключении конденсатора от источника тока напряжение на нем уменьшится на величину I*R. Вот эта величина и измеряется прибором. Зная ток и величину падения напряжения получаем ESR.

Практически это выглядит так - конденсатор предварительно разряжается, включается источник тока 10 мА, оба входа измерительного усилителя подключаются на Сх, делается задержка порядка 3.6 мкс для устранения влияния звона в проводах. Одновременно через ключи DD2.3 || DD2.4 заряжается конденсатор С1, который собственно и запоминает самое большое напряжение, которое было на Cx. Следующим шагом размыкаются ключи DD2.3 || DD2.4 и выключается источник тока. Инвертирующий вход ДУ остается подключенным к Сх, на котором после выключеня тока напряжение падает на величину 10мА*ESR. Вот собственно и все - далее спокойно можно мерять напряжение на выходе ДУ - там два канала, один с КУ=330 для предела 1 Ом и КУ=33 для 10 Ом. Удачно получилось, что эти же аналоговые цепи используются для измерения емкости.

Следует отметить, что этот принцип измерения ESR не новый, просто встречается не очень часто. Вот наиболее похожая конструкция , только здесь измерение проводится при включении тока. Аналогичный принцип использовался и в "Цифровом измерителе ESR" С.Бирюкова, Схемотехника 2-3 2006г.

Настройка и у правление.

Первое включение - проверяем наличие +5V после 78L05 и -5V (4.7V) на выходе DA4. Подбором R31 добиваемся нормальной контрастности на индикаторе.

Включение прибора при нажатой кнопке Set переводит его в режим установки корректирующих коэффициентов. Их всего три - для каналов 1 Ом, 10 Ом и для емкости. Изменение коэффициентов кнопками + и -, запись в EEPROM и перебор - той же кнопкой Set.

Имеется так же отладочный режим - в этом режиме на индикатор выводятся измеренные значения без обработки - для емкости - состояние таймера (примерно 15 отсчетов на 1 мкФ) и оба канала измерения ESR (1 шаг АЦП=5V/1024). Переход в отладочный режим - при нажатой кнопке "+".

Установка нуля. Для этого замыкаем вход, нажимаем и удерживаем кнопку "+" и с помощью R4 добиваемся минимальных показаний (но не нулевых!) одновременно по обоим каналам. Не отпуская кнопку "+", нажимаем Set - на индикатор выведется сообщение о сохранении U0 в EEPROM. Далее измеряем образцовые сопротивления 1 Ом (или меньше), 10 Ом и емкость (которой доверяете) , определяем поправочные коэффициенты. Прибор выключаем, включаем при нажатой кнопке Set и устанавливаем коэффициенты соответственно результатам измерений.

Индикация.

Измеренные значений в цифровом формате выводятся на двухстрочный ЖКИ. В верхней строке выводится емкость, в нижней ESR (ЭПС) конденсатора.

Надпись Cx ---- выводится в след. случаях:

1. При измерении емкости срабатывает тайм-аут, т.е. за отведенное время измерения прибор не дождался переключения обоих компараторов. Это происходит при измерении резисторов, закороченных щупах, либо когда измеряемая емкость >150000 мкФ и т.п.
2. Когда напряжение, измеренное на выходе DA2.2 превысит 0x300 (это показания АЦП в 16-ричном коде), процедура измерения емкости не выполняется и на индикатор также выводится Cx ---- . При разомкнутых щупах (или R>10 Ом) так и должно быть.

Знак " > " в строке ESR появляется при превышении напряжения на выходе DA2.2 0x300 (в единицах АЦП).

Детали и щупы.

ЖКИ модуль на основе контроллера HD44780 с организацией 16 символов, 2 строки. Встречаются варианты исполнения с "перепутанными" ногами 1 и 2 -земля и питания. Правильную маркировку необходимо посмотреть в документации на индикатор. Другие индикаторы потребуют изменения программы. Микроконтроллер заменим на PIC16F873 с тактовой на частоту 20МГц. Транзистор IRF530 заменим на IRF520, IRF540, IRLZ44n.

Выносные щупы подключаются по четырех проводной схеме для уменьшения влияния сопротивления проводов на результат измерения. Провода, идущие на массу и транзистор VT2 нужно взять потолще.

Прибор обсуждается на форуме.

Измеритель LOW ESR конденсаторов

Описываемый здесь прибор позволяет измерять сверхмалые сопротивления. Изначально он был разработан для проверки LOW ESR конденсаторов - с материнских плат компьютеров , импульсных блоков питания и т.п. Однако, его применение не ограничивается только этим. Пробник прекрасно меряет сопротивления шунтов, контактов, SMD-перемычек и т.п. С его помощью можно даже узнать сопротивление короткого отрезка провода.

Страница с описанием прибора:

На форуме в процессе обсуждения статьи участник rl55 предложил более простой и экономичный генератор для данного измерителя. В данной схеме используется именно эта модификация. Прибор полностью универсален: он может быть легко переделан на любой диапазон измерения, что достигается заменой резисторов измерительного моста.

Печатная плата: esr.lay

Коротко о работе: генератор на одном транзисторе вырабатывает синусоидальный сигнал с частотой порядка 100кГц, которая подаётся на измерительный мост. Параллельно одному из резисторов моста подключается проверяемый конденсатор. Измерение происходит на высокой частоте, так как сам параметр ESR конденсатора именно высокочастотный. Для измерения просто сверхмалых сопротивлений высокая частота была бы не нужна. Транзистор можно использовать почти любой, например - КТ315, КТ3102 или их аналоги в SMD исполнении.

Напряжение на контактах измерителя меньше, чем напряжение открытие любого полупроводника, поэтому проверять конденсаторы можно не выпаивая из печатной платы.

Напряжение с измерительного моста через повышающий трансформатор поступает на стрелочную головку, где по отклонению стрелки можно определить измеренное сопротивление. Переменный резистор 4.7кОм необходим для установки "нуля" при замкнутых щупах.

Первый трансформатор мотается на ферритовом кольце одножильным проводом в изоляции. Первичную обмотку второго трансформатора можно мотать также монтажным проводом, а вторичную - эмалированным, диаметром 0.2мм. Кольца нужно подобрать по магнитной проницаемости, здесь нужно поэкспериментировать.

Примечание: печатная плата расчитана на применение трансформаторов ТМС от CRT-мониторов и первый, авторский, вариант генератора частоты. Без какой-либо переделки она подходит и для варианта с трансформаторами на ферритовых колечках с вариантом генератора от rl55, при этом используется просто другое расположение деталей на этих же контактных площадках и дорожках.

При сборке измеритель необходимо настроить. Резистором в базе транзистора необходимо добиться максимальной амплитуды импульсов на коллекторе при закороченных щупах. При этом форма сигнала должна быть максимально приближена к синусоидальной, а частота быть близкой к 100кГц. Это необходимо для сохранения добротности контура с конденсатором 22нФ. Поэтому, как уже говорилось, нужно поэкспериментировать с различными кольцами.

При использовании резисторов моста с сопротивлением 1 Ом, на шкале прибора "умещается" около 0.1Ом. При уменьшении сопротивления резисторов моста, прибор можно сделать ещё более чувствительным. Шкала индикатора получается нелинейной и её необходимо разметить по эталонным SMD-сопротивлениям или SMD-перемычкам. У выводных деталей на сопротивление может влиять даже длина проводников.

Контакты пинцета необходимо выполнить по возможности более толстыми, желательно - из меди. При проверке деталей контакты пинцета плотно сжимаются, переменным резистором стрелка прибора устанавливается в ноль. Затем контакты так же плотно прикладываются к измеряемой детали. Для проверки SMD-компонентов сделана также площадка на одной из сторон пинцета.

Диоды PR302 защищают измеритель ESR от повреждения в случае, если измеряемый конденсатор случайно окажется заряженным. Диоды в выпрямителе после повышающего трансформатора - германиевые, для меньшего падения напряжения. Все фольгированные полигоны, кроме лужёной площадки для измерения SMD-компонентов, покрыты бесцветным цапон-лаком для защиты меди от атмосферной коррозии.

Существует и более функциональный

Схема электрическая esr измерителя конденсаторов

Печатные платы - рисунок

В типичной схеме, может быть 10 или даже 100 конденсаторов. Выпаивать каждый для тестирования очень утомительно и существует большой риск повреждения платы. Этот тестер использует низкое напряжение (250 мВ) высокой частоты (150 кГц), и он способен мерять ESR конденсаторов прямо в схеме. Напряжение выбрано достаточно низкими, чтобы другие окружающие радиоэлементы схемы не влияли на результаты замеров. А если вам случайно доведется испытать заряженный конденсатор - не беда. Этот измеритель выдерживает до 400В заряда на конденсаторе. Опыт показал, что ЭПС метр выявляет около 95% конденсаторов с потенциальными проблемами.

Особенности работы прибора

• Тест электролитических конденсаторов > 1 мкФ.
• Полярность не важна для тестирования.
• Переносит заряд конденсаторов до 400В.
• Низкий ток потребления от батареи - около 25 мА.
• Легко читать данные аналогового измерителя.
• Меряет ЭПС в диапазоне от 0-75 Ом по расширенной шкале с помощью омметра.

Как использовать ESR метр

Включаете прибор. Убедитесь, что проверяемая схема находится не под напряжением. Разрядите конденсатор перед тестированием - ЭПС метр не делает этого автоматически. Замкните выводы конденсатора и удерживайте их так в течение нескольких секунд. С помощью вольтметра убедитесь, что конденсатор полностью разряжен. Вольтметр должен показывать нулевое значение. Прикоснитесь щупами ESR метра к конденсатору. Определите сопростивление ESR. Является ли значение ESR приемлемым узнаём путем сравнения измеренного ESR с эталонными данными. Посмотреть эту таблицу